數字水電大壩安全管理平臺建設研究及展望

徐金英，胡明庭

（1.華電電力科學研究院有限公司，浙江省杭州市 310030；2.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江省杭州市 311122）

1 研究背景

21世紀初期，伴隨著我國經濟實力的逐步增長，對能源需求尤其是清潔能源的需求大大增加，一大批高壩大庫陸續在西南、新疆和西藏修建[1-3]。近年來用電需求的持續走低，電力供應過剩嚴重[4]，送出配合問題日益突出，西南地區的棄水棄電現象頻繁發生，水電建設速度放緩，“十三五”常規水電規劃數量是“十二五”規劃的一半，如此嚴峻的行業發展形勢給發電企業帶來了日趨加大的經營壓力，如何經營好現有水電資產，保障水電站大壩安全運行是發電企業當前面臨的重大生存問題。早在2015年初，國家發展改革委發布的《水電站大壩運行安全監督管理規定》，對電力企業大壩安全信息化工作做出了明確規定。因此，做好水電站大壩安全管理研究是當前和今后一個長時期內水利水電行業改革發展的總基調和風向標。

隨著智能制造、區塊鏈、云計算、大數據、“互聯網+”等顛覆性技術的發展，以及國務院“互聯網+”系列文件的出臺，開展智慧能源建設正逐漸成為電力生產企業發展的新趨勢和方向[5-7]。數字水電大壩安全管理是構建數字水電廠的一個應用功能，是推動智能水電廠建設的重要基礎，是最終實現智慧水電生產的前提保障。本文詳細介紹了中國華電集團公司（以下簡稱華電集團）開展數字水電大壩安全管理建設中取得的成果和經驗，并基于當前科學技術的發展方向，在詳細分析大壩安全管理需求和特點的基礎上，在“GIS+三維可視化技術”、去中心化保證數據不可篡改的區塊鏈技術[8]、基于大型商業軟件的ANSYS和ABAQUS的有限元數字仿真技術、基于Python程序開發的神經網絡技術和遺傳算法的大壩結構參數反演技術、基于遠程智能監控的新技術新設備等方面提出了對今后開展數字水電大壩平臺的建設進行了科學和合理的展望。

2 數字水電大壩安全管理的主要研究成果

2.1 研究背景

華電集團所屬水電站大壩113座，大壩數量眾多、壩高不等、壩型豐富、管理水平參差不齊給集團水電站大壩安全管理工作帶來了嚴重不便，基于集團大壩安全管理需求，并調研雅礱江[9]、大渡河[10]和清江河[11]流域的流域大壩集中安全管理[12]經驗，2016年，華電集團提出了智能水力發電建設及發展規劃，并制定了一系列標準和規范，其中《智能水力發電大壩安全分析系統技術規范》明確了智能水力發電大壩安全分析系統的基本原則、功能要求和主要技術指標，用于指導和規范未來智能水電廠大壩安全管理系統建設[13，14]。2018年初，華電集團提出了實現“數字華電”的新思路，推動數字水電大壩試點工作，為下一步建設華電集團智能化水力發電提供技術指導和實踐經驗。

2.2 數據存儲規則研究

數據存儲規則研究作為相關信息化工作的基礎工作，數字水電大壩安全管理系統的研究是基于統一平臺之上的，即所有大壩安全管理數據均在同一數據庫內，現有應用系統采用傳統建設模式，各系統單獨采集所需數據，獨立配置硬件設備、數據庫等，系統間信息交互、共享能力較差，影響數據的一致性和正確性，導致信息資源拆分零散和大量冗余。為此，編制數據編碼規范，是開展本項工作的首要任務。結合華電集團的基本要求和本行業基本現狀，確定在德國VGB技術委員會KKS編碼的基礎上進行制定華電集團的數據編碼規范。

考慮數字化大壩安全監測數據的實際情況，并結合工作經驗，對于大壩內觀的儀器，只編到某一部位的一類儀器（如無應力計、三向應變計、應力計、鋼筋計、溫度計），具體到各個測點以相應的順序編號予以區分；對于外觀的儀器，要求編到各個測點。在設備組A1位中，定義水電站大壩安全監測的儀器和設備，A2位中定義不同的儀器設備，A3位依據不同的測量方法和要求，視情況而定[如：水平位移監測中，A3位（D-倒垂，Z-正垂，C-測點）]。

2.3 已建大壩系統簡介

2016年初，華電集團建設了集團大壩安全管理系統，系統由大壩安全監測信息整編C/S軟件及應用網站系統組成[15]。系統在水力發電領域首次實現兩個管理全覆蓋，一是區域全覆蓋，即大壩安全管理系統匯集集團七大區域所轄大壩集群；二是等別全覆蓋，即大壩安全管理系統匯集集團所有等別的水電站大壩。

2.3.1 軟件實施情況

大壩安全監測信息整編C/S軟件采用華東勘測設計研究院自主研發的idam，主要提供大壩監測數據查詢、人工和自動化監測數據錄入、數據質量治理、周月季年度報告報表制作、基本設置等功能。截至目前，華電集團已接入大壩83座，完成國家能源局大壩中心數據報送100%；按區域推廣大壩安全監督運維，其中烏江公司作為華電集團最大的水電基地，于2019年開始月度大壩安全監督工作，全面提升烏江公司大壩安全監測信息的及時率、完好率、報送率、處理率和使用率，實時效果可觀。

2.3.2 應用網站系統實施情況

大壩安全應用網站系統主要基于大壩現地采集到的大壩監測信息，在數據匯集到區域和集團數據庫的基礎上，開發建設的服務于大壩安全管理綜合業務的網站系統。系統以展示、監督、管理和評價為核心，在線監控和實時展示大壩安全監測信息整編C/S軟件接入的所有大壩的安全監測管理信息，并定期進行評價統計，為各大壩安全管理考核提供依據。

2.4 管理機制探索

華電集團數字水電大壩安全管理工作采用三級管理體系，即電廠級、區域級和集團級。根據國家及行業現行法律法規，首次制定集團《大壩安全管理系統管理辦法》，明確集團公司、二級單位以及各基層水力發電企業的管理職責，并提出了相應的管理要求及評價考核辦法，這是華電集團首次在集團層面以管理辦法的形式構建水工專業的大壩安全管理模式和機制，為下一步實現大壩安全管理“無人值守，集中管理，少人維護”的管理模式提供制度指導與保障，充分體現了集團對保障所轄水電站大壩安全運行的管理手段和管理決心。

3 研究展望

基于華電集團大壩安全管理工作上取得的成效與經驗，同時響應集團公司建設數字水電大壩的發展規劃，針對大壩安全管理研究的專業特點，利用GIS、三維可視化技術、物聯網、人工智能技術、區塊鏈等手段，結合華電集團各水電站大壩的現場實際、集團管理思路以及集團企業發展和改革方向和重點，確定下一步的主要研究內容為：

（1）大壩安全監測信息GIS+三維可視化展示技術研究。結合GIS和三維可視化技術，進行大壩安全監測在線監控和專家診斷分析成果給出動態預警、報警研究。通過創建各測點監測測值的數學統計模型，統計動態監測數據的變化規律（如變化速度、加速趨勢）及相互關系，實現大壩真實性態的三維在線展示及動態預警、預報。

（2）基于有限元數值分析的整體性大壩安全狀態預警報警技術研究。應用結構有限元仿真計算、參數反饋修正技術、神經網絡和遺傳算法，在對實時監測數據進行動態分析評價的基礎上，進一步利用神經網絡和遺傳算法進行結構參數反演，實現對大壩及基巖關鍵物性參數、模型的動態反演和修正。并實現從傳統的、基于點、線局部實測數據的安全分析、預警向基于全壩、全過程動態仿真的大壩工作性態分析、預警的跨越。

（3）開展基于集團管轄大壩管理特點的大壩安全風險辨識和評估。根據集團管轄大壩及流域上下游相關電站大壩設計、施工、運行資料，結合大壩運行管理缺陷和隱患臺賬，對存在的所有缺陷、安全隱患進行風險點辨識和分類。結合大壩結構有限元分析和大壩監測信息在線監控，并對重大缺陷和隱患進行跟蹤和分析，分析事故風險發生的概率，評估隱患事故可能造成的后果，綜合評判大壩風險等級，結合前述預警報警研究成果，給出大壩風險預警報警評價結論。

（4）基于當前區塊鏈技術的發展，實現基于區塊鏈技術的數字水電大壩平臺建設。大壩安全監測作為大壩安全評判的“耳目”，在一定程度上直接反映著大壩安全狀況[16]，部分水電廠人員為了工作的“便捷”和逃避考核處罰，任意編造、捏造、篡改大壩安全監測數據，使得大壩安全的真實狀態得不到真實關注。而區塊鏈是一項技術，是一種分布式數據存儲、點對點傳輸和加密算法等計算機技術的新型應用模式，具有透明、信用、不可篡改的特點，同時也基于其分布式存儲的特點，導致了當前區塊鏈技術下的數據處理速度較慢，無法進行快速高效的應用。依據水電站大壩運行安全信息報送辦法[17]：對于工程安全特別重要的大壩安全監測信息于48小時內自動報送至大壩監察中心，其他大壩應于次月15日前報送至大壩監察中心。綜上所述，大壩監測數據的要求監測頻次較少，一般為水情數據1次/天、重要大壩監測數據1次/2天，其余大壩監測數據1次/月，因此即便在當前的區塊鏈發展技術下，依然能夠滿足水電數字大壩安全管理平臺的建設要求，采用區塊鏈技術將各區域公司和集團總部連通，各大壩現地監測自動化設備應在規定時間內完成采集后直接存儲到各區域公司和集團總部服務器上，能夠從根本上避免數據的篡改，這是區塊鏈技術在數字大壩平臺上最大的應用特點。

（5）大壩安全監測及傳輸新技術、新方法研究。如將現代成熟的傳感器、機電控制、精密測量、軟件、數理統計平差與互聯網+、物聯網技術智慧地融為一體，可實現全自動、全天候、無人值守的安全、可靠的大壩外部變形遠程智能監控技術研究；綜合多波束探測技術、水下無人潛航器探測技術、三維激光掃描技術、淺地層剖面儀技術以及側掃聲吶探測技術等新型水下檢測技術研究等。

4 結論

進入21世紀以來，以人工智能、移動通信、區塊鏈為代表的新一代科學技術的突破應用，正在深刻影響著國家的發展和人民的生活，引領著企業的發展和改革方向，強化基礎研究，提升原創力是企業占據創新高地、取得產業發展創新優勢的必然選擇。本文在華電集團搭建數字水電廠的建設框架下，結合華電集團構建大壩安全管理系統的實施經驗和提供的信息管理平臺，給出了數字水電大壩安全管理平臺的建設思路和研究展望，為發電企業構建集團統一的數字水電大壩平臺提供參考，為下一步推動華電集團建成“智能電廠”實現“智慧發電”生產提供數據基礎和技術支撐。